第四章：网络层（下）

原创已于 2022-04-16 15:07:36 修改 · 1.9k 阅读

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#网络协议 #网络 #http #java #计算机网络

于 2022-04-14 20:36:03 首次发布

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本文详细介绍了路由算法的基本原理，重点剖析了RIP协议和其距离向量算法，OSPF的链路状态算法及其区域划分，以及BGP协议的报文格式和特点。通过实例演示和协议对比，探讨了不同路由协议在大型网络中的适用性和优劣。

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路由算法及路由协议

路由算法

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路由算法的分类

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分层次的路由选择协议

（1）因特网规模很大
（2）许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网
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RIP协议及距离向量算法

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在自制系统内部的话，可以使用RIP或者是OSPF协议，在自制系统与自制系统之间，可以使用BGP之间。

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器，因此距离为16 表示网络不可达。

开始的位置是Net3，然后到达Net2的话，需要经过一个路由器的，所以距离 + 1.
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仅和相邻路由器交换信息。
路由器交换的信息是自己的路由表。
每 30 秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己路由表。
路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离（距离为1），接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。
经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“ 收敛 ”

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“我到Net1网络的（最短）距离是5跳，下一跳应该走R1路由器…….”

距离向量算法

修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离” 字段 +1。
对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
（1）R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表
（2）R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址：
若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目；
若下一跳不是X，原来距离比从X走的距离远则更新，否则不作处理。
3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16。
4.返回

案例1

已知路由器R6的路由表，现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息，试更新路由器R1的路由表：
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先把发来的R4每一行都加上1，然后修改他的下一跳路由器都是R4,。
然后开始修改R6的表信息，都是使用新的内容替换旧的内容，如果R6中没有的话，就直接填入，如果有的话，直接覆盖掉，用新的信息不用旧的信息。

案例2

考虑如图所示的子网，该子网使用了距离-向量算法，下面的向量刚刚到达路由器C：来自B的向量为（5，0，8，12，6，2）；来自D的向量为（16，12，6，0，9，10）；来自E的向量为（7，6，3，9，0，4）。经过测量，C到B、D和E的延迟分别为6，3和5，那么C到达所有结点的最短路径是（）。
A．（5，6，0，9，6，2） B．（11，6，0，3，5，8）
C．（5，11，0，12，8，9）D．（11，8，0，7，4，9）
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RIP协议的报文格式

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RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间 (例如数分钟) 才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”。

脑图时刻

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OSPF协议及链路状态算法

OSPF 协议

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的；“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法 SPF。
OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。

**和谁交换？**使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器。最终整个区域内所有路由器都得到了这个信息的一个副本。广播
**交换什么？**发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度
量/代价——费用、距离、时延、带宽等）。
**多久交换？**只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。

最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑.

链路状态路由算法

每个路由器发现它的邻居结点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址。
设置到它的每个邻居的成本度量metric。
构造【DD数据库描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。
4 .如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理；如果有没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】请求自己没有的和比自己更新的信息。
收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。
更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。只要一个路由器的链路状态发生变化：
泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。
更新完毕后，其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。
使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径。

OSPF 的区域

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OSPF 分组

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OSPF 其他特点

每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态。
由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因
此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。
OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

BGP协议

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BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。

BGP 协议交换信息的过程

BGP发言人交换路径向量：

自治系统 AS 2 的 BGP 发言人通知主干网 AS 1 的 BGP 发言人：“要到达网络 N1、 N2、N3 和 N4 可经过 AS 2 。”

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BGP发言人交换路径向量：
主干网还可发出通知：“要到达网络 N5、N6 和 N7 可沿路径（AS 1 , AS 3 ）。”

BGP 协议报文格式

一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。

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BGP 协议特点

BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
在 BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP-4 的四种报文

1.OPEN （打开）报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方。
2.UPDATE （更新）报文：通告新路径或撤销原路径。
3.KEEPALIVE （保活）报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认。
4.NOTIFICATION （通知）报文：报告先前报文的差错；也被用于关闭连接。

三种协议比较

RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息。

OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量较大，应使报文的长度尽量短，所以不使用传输层协议（如UDP或TCP），而是直接采用IP。

BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所以采用TCP

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IP组播

IP 数据报的三种传输方式

单播：单播用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。
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广播：广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。
组播：当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是一种点对多点传输方式。
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组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）

IP组播地址

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硬件组播

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网际组管理协议 IGMP

发出信息之后，到达每一个路由器，路由器会根据IGMP协议，查看本网络内是否有参加多播组的主机，如果有则将信息传输过去，如果没有就不接受信息。
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IGMP 工作的两个阶段

ROUND 1 ：
某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。
ROUND 2 ：
本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。
只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。